CN102093896A

CN102093896A - 降低酸性镉污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂及对土壤进行改良的方法

Info

Publication number: CN102093896A
Application number: CN2010105837654A
Authority: CN
Inventors: 纪雄辉
Original assignee: HUNAN SOIL AND FERTILIZER INST
Current assignee: Hunan Yufeng Agricultural Ecological Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: CN102093896B

Abstract

本发明公开了一种降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，该土壤调理剂包括赤泥和锌肥，赤泥和锌肥的质量比为(50～100)∶1。本发明还公开了一种对中轻度污染土壤进行改良的方法，包括以下步骤：以含镉酸性的中轻度污染土壤作为改良对象，在翻耕施肥前，将土壤调理剂均匀撒施在中轻度污染土壤的表面，控制土壤调理剂的用量为每公顷含赤泥1500kg～9000kg、含锌肥15kg～90kg，然后进行土壤翻耕，使赤泥、锌肥与污染土壤充分混合，平衡7～10天即完成改良过程。本发明的土壤调理剂及改良方法具有成本低、见效快、环保安全等优点，能有效降低酸性重金属污染土壤的镉生物有效性。

Description

降低酸性镉污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂及对土壤进行改良的方法

技术领域

本发明属于重金属污染土壤的治理及修复领域，尤其涉及一种土壤调理剂及其使用方法。

背景技术

重金属对人体健康产生的危害已越来越受到人们的关注，其中镉(Cd)位列联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质之首。镉是人体非必需元素，在人体中的半衰期达20～40年之久，可引发“骨痛病”、肾损害等(陈英旭，《环境学》，2005)。食物链成为重金属危害人类身体健康的首要途径，世界卫生组织(WHO)建议每天摄入的镉量不应超过68μg，而粮食镉污染导致人体日摄入量高于这一限值的风险极大。我国约有60％的人口以稻米为主食。有研究认为，水稻是吸镉能力最强的大宗谷类作物(Chaney R L，Reeves P G，Ryan J A，Simmons R W，Welch R M，Scott Angle J：“An improved understanding of soil Cd risk tohumans and low cost methods to phytoextract Cd from contaminated soils to prevent soil Cd risks”，《Biometals》，2004，17[5])。随着污染的加剧，稻米镉暴露的危害极大。20世纪90年代初，我国镉污染耕地面积已达1.3×10⁴hm²，涉及11个省市的25个地区，每年生产“镉米”5.0×10⁷kg(王凯荣：“我国农田镉污染现状及其治理利用对策”，《农业环境保护》，1997，16[6])。湖南是我国的农业大省和粮食主产区，素有“鱼米之乡”的美称，但长期以来受工业“三废”超标排放等因素影响，农产品产地污染相当严重，特别是近年来有色金属的开发利用加快，加之土壤重金属背景值偏高，土壤环境酸化等，局部的土壤重金属污染呈加重趋势。如地处湘江流域经济较为发达的长株潭地区，土壤镉的变异系数高达212％，已达到了严重污染的程度(龙永珍，戴塔根，邹海洋：“长沙、株洲、湘潭地区土壤重金属污染现状及评价”，《地球与环境》，2008，36[3])。重金属污染区尤以稻米镉超标问题突出，甚至出现“镉米”，其污染面之大、污染物含量之高，已严重影响了农产品质量安全和市场竞争力，威胁到人类身体健康。近年来，重金属污染事件屡有发生。据报道，湖南省株洲市天元区马家河镇1800多人的新马村，1100多名村民被诊断为镉超标，其中200多人被认定为严重超标。

在土壤——植物——人的特殊传递途径中，土壤间接起到了“污染源”的作用，而土壤一旦遭受重金属污染，将难以彻底清除，具有长期性和不可逆性。因此，如何有效地切断重金属传递的食物链途径，其污染土壤的治理是关键。目前的治理途径主要有两种：一种是将污染物清除，即去污染；另一种是改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定，从而降低污染物的移动性和生物可利用性。污染土壤的治理方法通常有生物修复、化学修复及工程措施等。工程治理措施往往因工程量大、费用高，并且有可能对土壤生态功能造成破坏而受到限制；生物修复虽然具有实施简单、无污染等优点，但短期内难以达到修复效果。考虑到现今的重金属污染土壤大多数处于中轻度污染水平，针对这一现状，采取快速有效的化学修复技术并结合农艺管理措施等，可以在确保粮食质量安全的前提下继续维持生产，这对于缓解我国当前的人口-耕地资源矛盾、保障粮食安全具有重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、见效快、环保安全的降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，还提供一种操作简单、使用方便、资源节约、环境友好的利用该土壤调理剂对污染土壤进行改良的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，所述土壤调理剂包括赤泥和锌肥，所述赤泥和锌肥的质量比为(50～100)∶1。

上述的降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，所述赤泥的pH值优选控制在10.0以上且不超过12.5，所述赤泥中氧化钙的质量分数在2％以上，氧化硅的质量分数在3％以上，氧化铁的质量分数在5％以上。

上述的降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，所述锌肥优选为七水硫酸锌(工业级)。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种采用上述的土壤调理剂对中、轻度污染土壤进行改良的方法，包括以下步骤：首先，以土壤全镉含量0.3mg/kg～3.0mg/kg(中度为1.0mg/kg～3.0mg/kg、轻度为0.3mg/kg～1.0mg/kg)、全锌含量120mg/kg以下且土壤pH值在6.5以下的中、轻度污染土壤作为改良对象，在对所述中、轻度污染土壤进行翻耕施肥以前，将搅拌均匀后的所述土壤调理剂均匀撒施在所述中、轻度污染土壤的表面，控制所述土壤调理剂的施用量使每公顷含赤泥1500kg～9000kg(赤泥用量可根据土壤全镉和有效镉含量进行适当调整)、含锌肥15kg～90kg(锌肥用量可根据土壤全锌和有效锌含量进行适当调整)，然后进行土壤翻耕，使所述赤泥、锌肥与轻度污染土壤充分混合，平衡7～10天即完成改良过程。

经过上述方法改良后的污染土壤可以进行施肥、耕作和水稻移栽等农事活动。若采用本发明土壤调理剂与化肥混合施用时，本发明的土壤调理剂不能与农用碳铵、尿素等铵态氮肥混合。因为经过我们的实验观察，本发明的土壤调理剂与农用碳铵、尿素等铵态氮肥混合施用时，可能会因氮肥中的铵迅速转变为氨气挥发而导致肥料的损失。

本发明的上述技术方案主要是基于以下原理：

(1)本发明选用的主料赤泥为炼铝过程中产生的工业废弃物(含全量镉0.3mg/kg以下、全量铅300mg/kg以下)，其作为钝化剂结合了大量化学碱而呈较强的碱性，经过我们的化学分析，pH值在10以上、12.5以下的赤泥，其碱性远低于石灰，因此，在酸性镉污染土壤中施用含有赤泥的土壤调理剂能显著提高土壤的pH值，从而促使土壤中的活性镉向难溶态转化，最终降低土壤镉的生物有效性，但同时也不会使土壤的pH值急剧升高而破坏土壤微环境；其离子反应方程式主要为：

(2)本发明选用的赤泥中优选含有一定浓度的氧化硅和氧化铁，氧化硅和氧化铁均为强吸附性物质，能吸附土壤中的镉离子，降低镉离子在土壤溶液中的移动性；而且，本发明选用的赤泥因具有较大的比表面积，能进一步提高对土壤溶液中镉离子的吸附能力，从而降低镉离子在土壤中的移动性；

(3)本发明的土壤调理剂中还含有一种重要的辅料——锌肥，锌肥中的锌离子在土壤中可与镉离子一起竞争植物根际的吸附位点，从而减少作物对镉的吸收累积；而优选的硫酸锌锌肥中还含有硫酸根离子，该硫酸根离子在土壤淹水还原条件下易被还原为硫离子，而硫离子易与镉离子形成难溶性的硫化镉沉淀，从而进一步降低镉离子在土壤中的移动性；此外，锌肥为一种普通肥料，来源广泛，并且对农作物还有一定的增产作用，更易于被市场接受。

按上述用量施用后，对降低水稻籽粒中镉积累的效果较好，正常情况下均能使糙米中的镉含量控制在国家安全标准以内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，本发明的土壤调理剂及土壤改良方法中采用了现有的工业废弃物赤泥作为主料，该赤泥原料不仅来源广泛、成本低，而且能有效降低酸性镉污染土壤中镉的生物有效性，不仅实现了现有工业废弃物资源的回收再利用，变废为宝，而且解决了该工业废弃物堆放过程中碱性渗透带来的环境污染隐患，对节约资源、保护生态环境具有重要意义。另外，本发明的土壤调理剂及土壤改良方法不会破坏土壤的酸碱平衡，对现有土壤的微环境不会造成消极影响，不会形成对土壤环境的二次污染。总的来说，本发明的方法操作简单、可靠，使用后见效快，经济效益明显，对防治酸性土壤的重金属污染、保障粮食安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例中进行田间应用时当季水稻糙米镉含量的对比效果图。

图2为本发明实施例中进行田间应用时第二季油菜籽粒镉含量的对比效果图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例

一种本发明的降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，该土壤调理剂包括赤泥和锌肥。其中的赤泥为郑州中国长城铝业集团在联合法炼铝过程中产生的残渣，该赤泥的pH值为12.2，且含氧化钙39.9％(如未特别指明，均表示质量分数)、含氧化硅21.7％、含氧化铁9.2％，另含有氧化铝5.9％和氧化钾0.4％，含全量镉0.09mg/kg、全量铅173.2mg/kg、全量锌73.8mg/kg，各有害物质(例如镉、铅、锌)含量均在国家土壤质量标准二级标准值范围内。该土壤调理剂中的锌肥是采用硫酸锌普通肥料(七水硫酸锌)。该土壤调理剂中赤泥和锌肥的质量比为50∶1。

盆栽应用：

采用盆栽的方法考察本发明的土壤调理剂及改良方法对酸性土壤(潮泥田)镉活性的钝化效果。盆栽应用的供试土壤为潮泥田，其化学性状如下表1所示。

表1：本实施例盆栽应用中供试土壤的化学性状

整个应用过程设置三个处理：

①对照组，不施用本发明的土壤调理剂；

②只施用钝化剂赤泥2g/kg(折合田间用量约为4500kg/hm²)；

③施用本发明的土壤调理剂：以上述的供试土壤(含全量镉2.46mg/kg、含全量锌120mg/kg以下且土壤pH值在5.4的中度污染土壤)作为改良对象，在对该供试土壤进行翻耕施肥以前，将搅拌均匀后的本实施例的土壤调理剂均匀撒施在该供试土壤的表面，控制土壤调理剂的施用量使每千克供试土壤中含赤泥2g、含锌肥0.04g(折合田间用量为每公顷的中度污染土壤中含赤泥4500kg、含锌肥90kg)，然后进行土壤翻耕，使土壤调理剂中的赤泥、锌肥与土壤充分混合，平衡7～10天即完成改良过程。

上述的每个处理重复三次，随机区组排列，并设置保护行。试验使用陶瓷盆钵，装盆前土壤经过风干过筛(孔径为0.5cm×0.5cm)混匀，每盆装土5.0kg，同时每盆施用相同量的氮、磷、钾肥料作为基肥。试验期间栽培管理措施与田间管理一致，以比较本发明的土壤调理剂及改良方法的钝化效果。土壤中全量镉采用硝酸-高氯酸-氢氟酸混合消解后原子吸收分光光度法(石墨炉)测定镉含量，土壤中有效态镉采用DTPA-TEA浸提后以原子吸收分光光度法(石墨炉)测定，水稻糙米中的镉采用硝酸-高氯酸混合消解后以原子吸收分光光度法(石墨炉)测定，测试结果如下表2、表3所示。

表2：对土壤镉活性的影响结果

表3：对水稻糙米中镉含量的影响结果

上表2、表3的测试结果表明，使用本发明的土壤调理剂(赤泥+锌肥)及改良方法对土壤镉活性及水稻糙米中镉含量影响显著。施用本发明的土壤调理剂能显著降低土壤中有效态镉的含量，与对照组相比，在处理7d、30d和60d时的降幅分别为41.6％、49.0％和47.5％；与单施赤泥相比，在处理7d、30d和60d时的降幅分别为5.8％、18.3％和21.3％；这充分说明本发明的土壤调理剂(赤泥+锌肥)及改良方法对降低土壤中镉活性的影响效果显著。而土壤中有效态镉是植物吸收利用的主要形态，对植物吸收累积镉存在显著影响。表3的结果表明，施用本发明的土壤调理剂能显著降低水稻糙米中的镉含量，并且使糙米镉含量达到国家粮食卫生标准(GB2715-2005)。施用本发明土壤调理剂的水稻糙米镉含量比对照组降低52.3％，比单施赤泥降低19.0％。由此可见，本发明的土壤调理剂及改良土壤的方法对酸性镉污染土壤具有明显的钝化效果，适量施用可显著降低土壤中有效态镉的含量，减少作物对镉的吸收累积。

田间应用：

本实施例采用田间小区试验(水稻-油菜轮作)，以验证本发明方法对当季水稻糙米吸收累积镉的影响及对第二季油菜籽粒镉累积的后效作用。试验地点在湘潭市岳塘区滴水村进行，供试土壤为河流冲积物形成的潮泥田，其化学性状如下表4所示。

表4：本实施例田间应用中供试土壤的化学性状

整个应用过程设置三个处理：

①对照组，不施用本发明的土壤调理剂；

②只施用钝化剂赤泥，田间用量约为3750kg/hm²；

③施用本发明上述实施例中的土壤调理剂：以上述的供试土壤(含全量镉1.98mg/kg、含全量锌96mg/kg且土壤pH值在5.5的中度污染土壤)作为改良对象，在对该供试土壤进行翻耕施肥以前，将搅拌均匀后的本实施例的土壤调理剂均匀撒施在该供试土壤的表面，控制土壤调理剂的施用量使每公顷的中度污染土壤中含赤泥3750kg、含锌肥75kg，然后进行土壤翻耕，使土壤调理剂中的赤泥、锌肥与中度污染土壤充分混合，平衡7～10天即完成改良过程。改良后再施用基肥于土壤上，混合均匀。在第一季水稻施用以上土壤调理剂后，第二季油菜不施用。

上述三个处理中，所有的化肥、农药施用和灌溉管理均一致。水稻糙米和油菜籽粒的镉含量均采用硝酸-高氯酸混合消解后原子吸收分光光度法(石墨炉)测定。

本次田间应用的试验结果如下：

1、对水稻(第一季)的作用效果：对水稻的作用效果如图1所示，由图1可见，施用本发明的土壤调理剂(赤泥+锌肥)对降低水稻糙米镉含量的效果明显；本发明土壤调理剂及改良方法处理后的水稻糙米镉含量(0.165mg/kg)比单施赤泥处理的水稻糙米镉含量降低了21.3％，比对照组降低了58.1％，达到国家粮食卫生标准(GB2715-2005)。可见，采用本发明方法能显著降低水稻糙米中的镉含量，对酸性镉污染稻田土壤具有明显的钝化效果。

2、对油菜(第二季)的作用效果：对第二季油菜种植试验籽粒镉含量的影响效果如图2所示，由图2可以看出，施用本发明土壤调理剂(赤泥+锌肥)后的土壤，其第二季作物油菜籽粒中镉含量仍显著低于对照组。施用本发明土壤调理剂的油菜籽粒中镉含量比对照组降低了41.6％，比单施赤泥组降低了9.2％。可见，采用本发明的土壤调理剂及改良方法对降低作物籽粒中镉含量存在明显的后效作用。

Claims

1.一种降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，其特征在于：所述土壤调理剂包括赤泥和锌肥，所述赤泥和锌肥的质量比为(50～100)∶1。

2.根据权利要求1所述的降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，其特征在于：所述赤泥的pH值在10.0以上且不超过12.5，所述赤泥中氧化钙的质量分数在2％以上，氧化硅的质量分数在3％以上，氧化铁的质量分数在5％以上。

3.根据权利要求1或2所述的降低酸性重金属污染土壤镉生物有效性的土壤调理剂，其特征在于：所述锌肥为七水硫酸锌。

4.一种采用如权利要求1或2或3所述的土壤调理剂对中、轻度污染土壤进行改良的方法，包括以下步骤：首先，以土壤全镉含量0.3mg/kg～3.0mg/kg、全锌含量120mg/kg以下且土壤pH值在6.5以下的中、轻度污染土壤作为改良对象，在对所述中、轻度污染土壤进行翻耕施肥以前，将搅拌均匀后的所述土壤调理剂均匀撒施在所述中、轻度污染土壤的表面，控制所述土壤调理剂的用量为每公顷含赤泥1500kg～9000kg、含锌肥15kg～90kg，然后进行土壤翻耕，使所述赤泥、锌肥与轻度污染土壤充分混合，平衡7～10天即完成改良过程。